汽车液压制动系统毕业设计

南京师范大学学士学位毕业论文I摘要汽车工业伴随着科技进步而高速发展，在欧美等发达国家，汽车已经是只是一件家庭必须品。随着我国经济发展，汽车的需求量也迅猛增加，我国汽车产业随之不断扩大。然而，汽车保有量的不断增加，也使得行车安全问题日益凸显，汽车的制动系统是保证行车安全性的重要系统之一，因此，制动系统的研究和开发对于汽车行驶的安全性有着极大的意义。本书对汽车的液压制动系统的结构、分类以及发展状况进行了分析介绍，主要包括制动器的形式与特征、液压管道的布置形式、制动主缸和制动轮缸的结构、真空助力器的结构以及ABS系统的工作过程。并以奥迪A4车型的车身与底盘参数为原始数据，进行了四轮盘式制动器、制动主缸和制动轮缸的设计计算。关键词制动系统液压ABS盘式制动器南京师范大学学士学位毕业论文IIABSTRACTWITHTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,THEAUTOMOBILEINDUSTRYISRAPIDDEVELOPINGINEUROPEANDTHEUNITEDSTATESANDOTHERDEVELOPEDCOUNTRIES,THECARISJUSTAHOUSEHOLDNECESSITYWITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMYINCHINA,THEDEMANDFORCARSHASINCREASEDRAPIDLY,CHINASAUTOINDUSTRYWILLCONTINUETOEXPANDHOWEVER,THEINCREASEOFVEHICLE,ALSOMAKESTHETRAFFICSAFETYPROBLEMSHAVEBECOMEINCREASINGLYPROMINENTTHEBRAKESYSTEMISONEOFTHEIMPORTANTSYSTEMTOGUARANTEEDRIVINGSAFETY,THEREFORE,THERESEARCHANDDEVELOPMENTOFTHEBRAKINGSYSTEMHASAGREATSIGNIFICANCEFORDRIVINGSAFETYTHISPAPERMAINLYANALYSISANDINTRODUCETHESTRUCTURE,CLASIFICATIONANDDEVELOPMENTOFTHECARSHYDRAULICBRAKESYSTEMMAINLYINCLUDESTHEFORMANDCHARACTERISTICSOFTHEBRAKE,THEARRANGEMENTOFTHEHYDRAULICPIPES,THESTRUCTUREOFTHEBRAKEMASTERCYLINDERANDTHEBRAKEWHEELCYLINDERS,THESTRUCTUREOFTHEVACUUMBOOSTERANDTHEWORKINGPROCESSOFTHEABSDESIGNANDCALCULATETHEFOURWHEELDISCBRAKES,BRAKEMASTERCYLINDERANDBRAKEWHEELCYLINDER,BASEDONTHEBODYANDCHASSISPARAMETERSOFAUDIA4MODELSKEYWORDSBRAKESYSTEMHYDRAULICPRESSUREABSDISCBRAKE南京师范大学学士学位毕业论文目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111制动系统设计意义112制动系统的研究现状113本次制动系统设计应达到的目标314本次制动系统的设计要求3第二章制动装置与制动机理421制动的基本机理422液压式脚制动器4第三章车轮制动器的形式与特征731盘式制动器732鼓式制动器10第四章操纵机构1241制动踏板1242制动主缸1343制动器配管方式1444制动轮缸1545制动助力装置17第五章防抱死系统（ABS）1951ABS的功用1952ABS的组成及控制原理2053ABS的类型23第六章制动器及驱动机构的设计计算2761盘式制动器的参数确定27南京师范大学学士学位毕业论文62制动轮缸直径的确定2963制动主缸直径的确定30总结32致谢33参考文献34南京师范大学学士学位毕业论文1第一章绪论11制动系统设计意义汽车的日益大众化带来了对汽车行驶安全问题的思考，从2013年开始实行的新交规就能看出国家非常重视交通安全问题，诚然，人们安全意识的提高能很大程度上的减少交通事故，而汽车本身的安全系统对行车安全也有极大的影响。汽车的良好的制动系统是行车安全的一个重要保障，当汽车在行驶过程中发生突发事件时，稳定而迅速的制动能很大程度的减小驾驶员以及车外其他人员所受安全威胁。所以，对汽车制动系统的研究对于交通安全，行车安全都有着重要意义。12制动系统的研究现状从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。汽车制动系统种类很多，形式多样。传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气液混合式。它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空。汽车制动系统的发展是和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关的，制动系统的每个组成部分都发生了很大变化。121供能装置的发展人力制动是开始有制动系统时的制动能源，它有机械式制动、液压式制动两种形式。机械式制动主要用于驻车制动系统中，驻车制动系统中要求用机械锁止方法保证汽车在原地停止不动，在任何情况下不至于滑动。液压式制动是通过制动踏板推动制动主缸，进而使制动器进入工作状态。伺服制动兼用人力和发动机作为制动能源，正常情况下制动能量由动力伺服系统供给，动力伺服系统失效时可由人力供给制动能量，这时伺服制动就变为人力制动。伺服制动可用气压能、真空能负气压能以及液压能作为伺服能量，形成各种形式的助力器。动力制动系统的制动能源是发动机所驱南京师范大学学士学位毕业论文2动的油泵或者气泵，人力仅作为控制来源，可分为气压制动、气顶液制动、液压制动。其中气压制动是发展最早的一种动力制动系统。它用空气压缩机提供气压，气顶液制动是用气压推动液压动作，产生制动作用。液压制动是目前得到广泛应用的一种制动系统，技术已经非常成熟。目前正在发展的电液复合制动以及电子制动中使用了电机作为制动能源，人力踩制动踏板作为控制来源。122控制装置的发展最早的人力制动，通过机械的连接产生制动动作。发展到人力控制制动，通过踩制动踏板启动制动，再由传力装置把制动踏板力传到真空助力器，经过真空助力器的助力扩大后，传递到制动主缸产生液压力，然后通过油路把液压力传递到每个轮缸，开始制动。随着清洁能源汽车和电动汽车的研究应用，以及电子技术在汽车上面的广泛应用，制动系统的控制装置也出现了电子化的趋势，其中电制动完全改变了制动系统的控制和管理，会使汽车制动系统发生革命性的变化，它采用电子控制，可以更加准确、更高效率地实现制动。123传动装置的发展人力制动时代是采用机械式的传动装置，气液压制动是利用气液压力和连接管路把制动力传递到制动器。电子制动则是利用制动电机产生制动力直接作用到制动器，它的控制信号来自控制单元ECU，用信号线传递制动信号和制动力信息。123制动器的发展制动器是制动的主要组成部分，目前汽车制动器基本都是摩擦式制动器，按照摩擦副中旋转元件的不同，分为鼓式和盘式两大类制动器。鼓式制动器又有领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向自增力式、双向自增力式制动器等结构型式。盘式制动器有定钳式，浮钳式，浮钳式包括滑动钳式和摆动钳盘式两种型式。滑动钳式是目前使用广泛的一种盘式制动器。由于盘式制动器热和水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安全性也好，而得到广泛应用。但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制，很多车是采用前盘后鼓的制动系统组成。电动汽车和混合动力汽车上具有再生制动能力的电机，在回收制动能量时起制动作用，它引入了新型的电制动系统制动器。作为一种新的制动器型式，势必引起制动器型式的变革。电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动器和鼓式电制动器，鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘式电制动器为主。南京师范大学学士学位毕业论文313本次制动系统设计应达到的目标（1）制动效能良好（2）制动效能的恒定性良好（3）抗热衰退性能良好（4）制动时的方向稳定性良好14本次制动系统的设计要求学习汽车制动系统的的结构和工作原理，确定制动系统的结构，选择适当的设计方案，设计计算制动器和操纵机构主要元件的结构，根据ABS的工作原理和工作过程绘出制动系统的液压回路图形。整理设计方案和计算过程及结果，完成毕业论文。南京师范大学学士学位毕业论文4第二章制动装置与制动机理21制动的基本机理制动装置是利用摩擦将汽车运动能量转换为热能，通过在大气中散热，将能量传递出去。对于汽车的制动装置应具有以下的要求（1）以较短的制动距离停车（2）制动效果稳定（3）制动装置具备足够的刚性，且耐久性良好（4）检测及更换简单在汽车行驶过程中踩下制动踏板，制动片挤压盘片，制动片与盘片摩擦产生摩擦热，此时产生的摩擦热与消失的运动能相当，因此而得到的摩擦力矩成为制动盘片转动的制动力矩，是汽车的制动力。因此，整个制动程序就是运动能摩擦热（热能）盘片中蓄热散热于大气中。22液压式脚制动器脚制动器是汽车所使用的主要刹车系统，是利用驾驶员的脚踏力进行制动的。制动器中包括利用液压、压缩空气、以及液压与空气混合的几种制动器。其中轿车一般采用液压式制动器。221液压式脚制动器的基本工作机理如图21所示，将施加到制动踏板的踏力传递给制动主缸，在制动主缸内产生液压，该液压通过制动业管在传递给各个车轮的制动轮缸，通过挤压各个制动轮缸的活塞，将垫片推向制动盘，利用此时产生的摩擦力得到制动力。南京师范大学学士学位毕业论文521液压制动系统图222液压装置的构成液压装置利用了帕斯卡定律，如图22所示，由制动踏板、产生液压的制动总缸、向各制动轮缸传递传递液压的制动液管，以及制动软管、将制动压力转换为作用力的轮缸与活塞等构成。22制动系统液压装置简图在盘式制动的情况下，由于垫片的推力必须大于鼓式制动中对制动蹄的推力，所南京师范大学学士学位毕业论文6以制动主缸与制动分缸的面积比要大于鼓式的面积比，并且要将盘式制动中的液压装置设计成在同样踏板力的作用下，作用于活塞的推力要大于鼓式制动中的推力。223帕斯卡定律帕斯卡定律就是加在密闭液体任一部分的压强，必然按其原来的大小，由液体各个方向传递。23帕斯卡定律原理图如图23所示，在活塞A施加外力1F，则力2F作用于活塞B上，此时容器内产生的液压与力的关系如下示（1）液压11SFP其中，P为液压，单位为PA；1F为外力，单位为N；1S为活塞A的截面积，单位为2M。（2）作用力12122SSFSPF其中，2F为作用于活塞B的力，单位为N；2S为活塞B的截面积，单位为2M。南京师范大学学士学位毕业论文7第三章车轮制动器的形式与特征31盘式制动器311盘式制动器的特征盘式制动器是在与车轮成为一体进行转动的盘片两侧附着垫片，通过摩擦力产生制动力矩，从而达到制动车轮的目的。盘式制动器几乎不产生鼓式制动器那样的自动增力，因此摩擦力与挤压垫片的外力以及垫片与制动盘之间的摩擦系数近似成正比，因而盘式制动器的制动作用比较稳定，而且转动的制动盘暴露在大气中，有利于散热，故在高速行驶的车辆中，盘式制动器是最合适的制动装置。盘式制动器的特征如下（1）优点A制动稳定B散热性能优越C浸水恢复快D自动调节设备简单（2）缺点A挤压垫片的作用力必须较大B垫片磨损快312工作原理如图31所示，盘式制动器是在与车轮成为一体进行转动的圆板状盘片两侧附着垫片，通过产生摩擦力而获得制动力矩的结构。南京师范大学学士学位毕业论文831盘式制动器结构简图左右垫片挤压转动盘片所产生的摩擦力几乎垂直，因此没有像鼓式制动器那样的自动增力作用，故而产生的制动力可以表示为2PF其中，F为摩擦力，单位为N；P为垫片的压力，单位为N；为垫片的摩擦系数。图32可大致表示盘式制动器和鼓式制动器摩擦系数与制动力之间的关系，因为盘式制动器垫片摩擦系数与制动力存在比例关系，所以即使垫片的摩擦系数发生变化，制动力也不会产生极端变化。32摩擦系数与制动力关系图南京师范大学学士学位毕业论文9313盘式制动器的分类盘式制动器分为定钳盘式和浮钳盘式，定钳盘式包括2活塞式和4活塞式；浮钳盘式包括1活塞式和2活塞式。（1）定钳盘式这种类型的盘式制动器是最基本的，其结构如图33所示，在固定的制动钳（缸体）上安装了两个相对的活塞，从盘片的两侧直接挤压着垫片。33定钳盘式制动器结构图由于定钳盘式制动器的结构是利用活塞直接挤压在两侧的垫片的结构，没有多余的活动装置，所以该部分的工作是稳定的，因其他不良运动而产生的故障较少，使用的可靠性较强。在高速行驶的情况下，为了增大制动力以及减小垫片的磨损以延长寿命，可扩大垫片面积，此时每侧只采用一个活塞的情况下很难获得均匀侧压，因此采用每侧两个活塞的结构，以得到均匀的侧压和稳定的摩擦力，而且垫片的损耗也会降低。（2）浮钳盘式浮钳盘式制动器是针对盘片，制动钳在垂直方向进行活动的结构，在制动钳的一侧设计活塞。如图34所示，踩下制动踏板后，盘片活塞直接挤压右侧的垫片，而另一侧的的垫片在推动活塞的反作用力下，是制动钳向活塞的相反方向移动，使垫片被盘片挤压。南京师范大学学士学位毕业论文1034浮钳盘式制动器结构图由于浮钳盘式制动器中也如定钳盘式制动器那样存在侧压不均匀的情况，所以在一侧设计两个活塞，以得到均匀的侧压并降低垫片的磨损。由于定钳盘式制动器存在以下缺点A油缸较多，制动钳的结构复杂B油缸分置在制动盘两侧，需用跨越制动盘的钳内油道或者外部油管进行连通，使得制动钳的尺寸较大，难以安装在轿车的轮毂里面C在热负荷较大时，油缸和跨越制动盘的油管中的制动液易受热发生汽化D如果要兼用驻车制动系统，则必须加装机械促动的驻车制动钳现代汽车多使用浮钳盘式制动器，其不仅没有定钳盘式制动器的这些缺点，还具有体积更小，重量更轻，容易实现电子化等优点。32鼓式制动器由于本课题选用四轮盘式制动器，并不采用鼓式制动器，所以此处只简单介绍鼓式制动器的工作原理和构造。鼓式制动器在与车轮共同转动的制动鼓中，扩展与衬垫粘结的制动蹄，压迫制动鼓，从而产生制动力。鼓式制动器根据衬垫的工作方式及刹车分泵的构造等，可以代表性的分为领从蹄南京师范大学学士学位毕业论文11式，双领从蹄式和双向伺服式。321鼓式制动器工作原理及构造鼓式制动器如图35所示，在转动的制动鼓上附压着两个制动蹄，左右各一，通过制动鼓与制动蹄的摩擦，将制动鼓上的运动能量转化为热能，然后将热量散发到大气中，变换为制动力。35鼓式制动器结构简图在制动鼓逆时针转动的状态下，踩下制动踏板后，两个制动蹄在制动轮缸活塞的作用下被压向制动鼓，而左侧的制动蹄在为陷入制动鼓而作用，产生自动增力，从而产生巨大的摩擦力。该自动增力作用的制动蹄称为领蹄。此时，另一侧的制动蹄在活塞的作用下被压向制动鼓，但由于制动鼓的转动，右侧制动蹄与左侧的制动蹄相反而被压回内侧，因此制动蹄上的分力会相对减下，摩擦力会小于领蹄，这样的制动蹄叫做从蹄。南京师范大学学士学位毕业论文12第四章操纵机构液压式制动装置的操作机构由制动踏板、制动主缸、制动液管，以及制动轮缸等构成。41制动踏板制动踏板主要起着将踩踏力传递给制动总泵的作用，它利用杠杆原理，即使踩踏力很小，也能向制动主缸传递较大的作用力。制动踏板包括如图41所示的垂挂式和直立式，目前一般采采用垂挂式制动踏板。41垂挂式制动踏板南京师范大学学士学位毕业论文1342制动主缸制动主缸是将制动踏板的踩踏力转换为液压的装置，其种类包括利用一个活塞的单腔式制动主缸和利用两个串联活塞的串联双腔制动主缸。单腔式制动主缸想在几乎不被采用，这是因为单腔式的在使用时，如果液压系统中的一个地方制动液泄露，那么整个车轮的制动将会失效。串联双腔制动主缸通过有通过两个活塞具备两套液压系统，即使一套液压系统发生故障，另一套系统也会正常工作，因而可以确保车辆的制动力。串联双腔制动主缸其构造如图42所示，在一个缸中串联配置了主活塞和副活塞，在主活塞和副活塞之间安装了主活塞回位弹簧，而副活塞的前端安装了副活塞回位弹簧，安装弹簧的地方就是产生液压的地方。42串联双腔制动主缸在松开制动踏板的状态下，主活塞左侧的活塞皮碗与副活塞左侧的活塞皮碗分别在回油口与进油口之间停止。主活塞的停止位置由卡环确定，副活塞的停止位置由制动螺栓决定。踩踏制动踏板后，主活塞被挤压，给与副活塞之间（主活塞回位弹簧位置）存在的制动液施压，产生液压。所产生的液压作用于后制动系统的同时，也作用于副活塞，推出副活塞，对活塞前面的制动液施加压力，将液压传递给前制动系统。此时由于主活塞与副活塞的直径相同，因此分别向各自的系统传递相同的液压。南京师范大学学士学位毕业论文14如果后系统损坏漏油，那么，当踩下制动踏板后，在主活塞和副活塞之间将不产生液压，主活塞压缩主活塞回位弹簧，使前端直接接触副活塞，此时只有前制动系统正常工作。这种情况与正常时相比，踏板冲程只增加从主活塞前端到接触副活塞之间的移动量。如果前系统损坏漏油，那么在副活塞室不会产生液压，副活塞压缩回位弹簧，前端移动，直到接触到泵体为止。活塞在停止后，主活塞与副活塞之间的制动液被加压将液压传递给后系统。这种情况下，与后系统发生液体泄漏时一样，踏板冲程增加。43制动器配管方式制动液管的主要作用是将来自制动主缸的液压传递给制动轮缸。制动液管一般使用耐压性和耐腐蚀性的较好的钢管。双回路液压制动传动装置由制动踏板、双腔式制动主缸、前后车轮制动器以及油管等组成。制动主缸的前后腔分别前后轮制动轮缸之间通过油管连接，并充满液压油。双回路液压装置在各型汽车上的布置方案各不相同，可归纳为如下几种一轴对一轴（II）型、交叉（X）型、一轴半对半轴（HI）型、半轴一轮对半轴一轮（LL）型、双半轴对双半轴（HH）型，各配置形式如图43所示。43制动液管配管形式431一轴对一轴（II）型这种布置形式的特点是前轴制动器与后轴制动器各有一套管路。这种布置形式最为简单，可与单轮缸鼓式制动器配合使用，是发动机前置后轮驱动式汽车广泛采用的一种形式。其不适合前置发动机前轮驱动式汽车，因为前置前驱汽车前桥载荷大，且制动时重心前移致使前桥载荷进一步增大，后轴载荷减小，容易出现后轮先抱死导致南京师范大学学士学位毕业论文15汽车甩尾的危险，故采用前置前驱的轿车并不采用这种形式，另外，这种回路还有另一个缺点当一套管路失效时，前、后桥制动力分配的比值被破坏。432交叉（X）型X型布置形式是一轴一侧的车轮制动器与另一轴对侧的车轮制动器同属一个管路。在任何一管路失效时，剩余总制动力都能保持正常值的50，且前后桥的制动力分配比值保持不变，有利于提高制动的稳定性。这种布置形式多用于发动机前置，前轮驱动的轿车上。433一轴对半轴（HI）型这种布置形式的特点是每侧前轮制动器的半数轮缸和全部后轮制动器轮缸属于一套管路，其余的前轮缸属于另外一套管路。434半轴一轮对半轴一轮（LL）型这种布置形式的特点是两套管路分别对两侧前轮制动器的半数轮缸和一个后轮制动器起作用。435双半轴对双半轴（HH）型其特点是两套管路均只对前轮每个前、后轮制动器的半数轮缸起作用。以上各种布置形式中，HI、LL、HH型较为复杂，故应用较少，此次设计采用大多数轿车所采用的交叉（X）型布置形式。44制动轮缸制动轮缸组装在底板上，它的主要作用是接受来自制动主缸的液压，将制动蹄推向制动鼓（鼓式制动器）或者将制动垫片推向制动盘（盘式制动器）。制动轮缸的种类包括采用两个活塞的相对式和采用一个活塞的单活塞式。441双活塞式制动轮缸双活塞式制动轮缸的结构如图44所示，缸体用螺栓固定在制动底板上，缸内有两个活塞和两个皮碗，两个皮碗分别压靠在两个活塞上，以保持两皮碗之间的进油口畅通。活塞外端的凸台孔内压有顶块。防护罩用以与止尘土和水分进入，以免活塞缸体锈蚀而卡死。缸体上方装有放气阀用以排放轮缸中的空气。南京师范大学学士学位毕业论文1644双活塞制动轮缸结构简图从液压制动传动装置的结构和工作原理可以看出，该装置动柔和灵敏，结构简单使用方面，不消耗发动机功率。但操纵较费力，制动力不是很大，液压油低温流动性差，高温时容易产生气阻，如有空气侵入或者漏油会降低制动效能甚至失效。通常在液压制动传动机构中增设制动增压或者助力装置，使制动系操纵轻便并增大制动力，构成真空液压制动传动装置。442单活塞式制动轮缸如图45所示，单活塞式制动轮缸是借活塞断面凸台来保持进油间隙。为缩小轴的尺寸，液压密封采用装在活塞导向面上的皮圈。目前，这种制动轮缸趋于淘汰。45单活塞制动轮缸结构简图南京师范大学学士学位毕业论文1745制动助力装置助力装置是为了减轻驾驶员制动时的操作力，通过使用其他动力源进行辅助制动，以较小的踩踏力来获得较大制动力的装置。当前普遍使的用的盘式制动器不具有伺服作用，制动效果差，一般必须加装助力装置。制动助力装置包括利用发动机进气歧管负压或真空泵负压的真空式、利用空气压缩机压缩空气的压缩空气式，以及利用油泵产生的液压的液压式等种类。而真空式助力装置又包括总泵和助力装置安装在一起的一体式，以及总泵和助力装置分别独立安装的分离式。真空助力器的结构和工作原理真空助力器主要由真空伺服气室和控制阀组成，其结构如图46所示,控制阀部分放大图如图47所示。46真空助力器结构图南京师范大学学士学位毕业论文1847控制阀放大图制动时，踩下制动踏板，踏板力推动控制阀推杆和控制阀柱塞向前移动，在消除柱塞与橡胶反作用盘之间的间隙后，再继续推动制动主缸推杆，主缸内的制动液压油以一定压力流入制动轮缸。与此同时，在阀门弹簧的作用下，真空阀也随之移动，知道压靠在伺服气室膜片座的阀座上，从而使通道A与B隔绝，即伺服气室前、后腔隔绝。与此同时，真空阀离开大气阀座，空气阀打开，空气经过滤环、空气阀的开口和通道B充入伺服气室后腔。伺服气室因前、后腔的压力差而产生推力，此推力通过伺服气室膜片座、橡胶反作用盘推动制动主缸推杆向前移动，此时制动主缸推杆上的作用力（即踏板力）和伺服气室反作用盘推力的总和，使制动主缸输出压力成倍增加。解除制动时，控制阀推杆弹簧使控制阀推杆和空气阀向右移动，真空阀离开伺服气室膜片座上的阀座，真空阀开启。伺服气室前、后腔想通，均为真空状态。膜片座和膜片在回位弹簧作用下回位，制动主缸解除制动。南京师范大学学士学位毕业论文19第五章防抱死系统（ABS）51ABS的功用汽车制动时，车速与轮速之间存在着速度差，即车轮不再做纯滚动运动，而是相对地面存在滑移。滑移程度用滑移率表示，期计算方法如下1000VRVS式中S滑移率V车速车轮滚动角速度0R车轮运动半径传统制动系统制动时，有时会将制动车轮完全抱死，此时车轮的滑移率为100。制动时若车轮抱死对汽车的稳定性能影响很大，分析说明如下当汽车直线行驶时，车轮抱死后，侧向附着系数基本为零，保持方向稳定性的车轮侧向力也接近于零。此时因路面不均匀、侧向风、左右车轮制动力不等而引起的很小的偏转力矩，也会使汽车产生脱离掌控的不规则运动而处于危险状态，而在不规则旋转过程中将制动释放时，汽车又会沿着瞬时行驶的方向急速驶出，这个也是非常危险的。当汽车曲线行驶时，若此时只有前轮抱死，前轮的转向能力基本为零，将无法进行正常的转向操作，驾驶员将无法控制汽车运动方向，此时汽车将沿行驶方向曲线的切线滑行。若只有后轮抱死，则后轮的侧向力接近零，此时由于离心力和前轮转向力的共同作用，汽车将不能保持原来行驶方向，发生甩尾现象。若所有的车轮都抱死，转向力和侧向力都接近于零。汽车将完全失去方向稳定性和操纵性，兼有前后轮单独抱死时发生两种运动，即一边沿切线滑行，一边作与驾驶无关的无规则运动。防抱死制动系统（简称ABS，ANTILOCKBRAKINGSYSTEM）的功用是防止汽车制动时车轮抱死，并把汽车的滑移率保持在最佳滑动率范围内，以保证车轮与地面良好的纵向、横向附着力，有效防止汽车制动时汽车侧滑、甩尾、失去转向能力等现象发生，提高制动稳定性；同时将制动力保持在最佳范围内，缩短制动距离。这样也减弱了轮胎与地面的剧烈摩擦，减少对轮胎的磨损。南京师范大学学士学位毕业论文2052ABS的组成及控制原理521ABS的组成ABS包括普通制动系统和电子控制系统两大部分（如图51所示）。其普通制动系统有制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成，用来实现汽车的常规制动。其电子控制系统由电子控制器、传感器以及制动压力调节器组成。51ABS系统组成制动压力调节系统中，传感器的作用是感受系统控制时所需要的各项汽车行驶状态的参数，并将汽车的这些物理量转换为电信号。控制器就是电子控制装置简称ECU，它根据传感器的信号以及内部存储信号，通过计算，比较和判断，向执行器发出控制命令，与此同时监控系统工作状况。而执行器，即制动压力调节器，则是根据ECU的命令，依靠电磁阀和相应的液压控制阀构成的液压调节系统对制动装置实施增压、保压和减压等操作，使车轮始终处于理想运动状态。在制动过程中，ABS只在车速超过一定值时才起作用。ABS具有自诊断功能，并能确保系统出现故障时，常规制动系统仍能正常工作。南京师范大学学士学位毕业论文21522ABS制动压力调节方式双管道交叉（X）型管道布置的液压回路以及简单的电子控制电路如图52所示52ABS液压回路和电子控制简图其典型的压力调节方式包括循环调压和变容积式调压两种方式，此次设计中采用循环调压方式。循环调压方式的制动压力调节器串联在制动主缸与轮缸之间，通过电磁阀直接或者间接地调节轮缸的制动压力。图53中A、B和54中C、D所示为循环压力调节器的工作过程。（1）常规制动过程常规制动时，电磁阀不通电，柱塞处于图（A）所示位置，主缸与轮缸是想通的，主缸可随时控制制动压力的增减，此时车轮没有抱死，ABS与液压泵都不工作。南京师范大学学士学位毕业论文2253ABS调压过程（2）减压过程当车轮趋于抱死是，ECU根据轮速传感器等信号，判断制动车轮的滑移率达到的特定数值，而输出减压指令，控制电磁阀通入较大的电流，柱塞移至上端图（B）所示位置，主缸与轮缸的通路被切断，轮缸与液压油箱接通，制动液由轮缸流入液压油箱，制动压力下降，避免车轮抱死。同时，驱动电动机启动，带动液压泵工作，将流回液压油箱的制动液加压后输入到主缸，为下一个制动周期做准备。（3）保压过程当制动车轮的滑移率在理想范围时，ECU控制进入保压过程，给电磁阀通入较小电流，产生较小的电磁力，柱塞移至图（C）所示位置，所有的通道都被截断，保持恒定的制动压力。南京师范大学学士学位毕业论文2354ABS调压过程（4）增压过程当ECU判断制动车轮的滑移率过小，制动力不足时，会进入增压过程，此时电磁阀断电，柱塞在弹簧力的作用下回到初始位置，如图（D）所示，主缸和轮缸此时相通，主缸产生的高压制动液（包括液压泵输出的制动液）再次进入轮缸，增加制动压力。增压和减压速度可以直接通过电磁阀的进油口来控制。53ABS的类型ABS系统中，能够进行独立制动压力调节的制动管路被称为控制通道。如果可以对某单个车轮的制动压力进行调节，这种控制方式称为独立控制；如果可以对两个或两以上车轮制动压力同时进行调节，这种控制方式称为一同控制。在两个车轮制动压力一同控制时，如果以保证附着力大的那个车轮不发生抱死为原则而进行制动压力的调节，则这种控制方式称为按高选原则一同控制；如果以保证附着力小的车轮不发生抱死为原则而进行制动压力的调节，则这种控制方式称为按低选原则一同控制。根据控制通道数目的不同，ABS系统分为四通道，三通道，双通道和单通道这四种形式，但其布置形式却多种多样。1四通道ABS对应于双制动管路的X型对角和H型前后两种布置形式，四通道ABS也分两种布置形式，见图55。南京师范大学学士学位毕业论文2455四通道ABS布置形式为了实现对四个车轮制动压力进行单独控制，在每个车轮处各安装一个速度传感器，并在通往制动轮缸的制动液管中各设置一个制动压力调节装置，即所谓通道。由于四通道ABS能够最大程度地利用各个车轮的附着力进行制动，多以汽车的制动效能最好。但在两侧车轮的附着系数不相等的路面上进行制动时，同一轴上两侧的制动力不相等，会使得汽车产生较大偏转力矩，从而产生制动跑偏。因此，通常情况下，ABS不对四个车轮进行单独的制动压力调节。2三通道ABS四轮ABS多为三通道系统，三通道系统都是对两个前轮的制动压力分别进行单独控制，而对两后轮的制动压力则按低选原则一同控制，其布置形式可见图56中C、D、E。56三通道ABS布置形式图C所示的X型布置的双管路制动系统中，虽然通往四个制动轮缸的制动管路中各设置了一个制动压力调节装置，但是两个后制动压力调节装置是由电子控制装置同时控制的，故实际上仍为三通道ABS。由于三通道ABS是对两个后轮进行一同控制，对于后轮驱动汽车可以在变速器或者主减速器中只设置一个速度传感器，来检测两个后轮的平均转速。在汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移，前轴荷增大，而后轴荷减小，使得前轮附着力比后轮附着力大很多，对两个前轮的制动压力进行独立控南京师范大学学士学位毕业论文25制，可以充分利用两个前轮的附着力对汽车制动，有利于缩短制动距离，并且改善汽车的方向稳定性。3双通道ABS图57中F所示的双通道ABS系统，是在按前后布置的双管路制动系统中的前后管路中各设置一个制动压力调节装置，对两前轮和两后轮分别进行一同控制。两前轮可依据附着条件进行高选与低选转换，而两后轮则按低选原则进行一同控制。对于后轮驱动汽车，可在两个前轮和传动系统中各安装一个速度传感器，在附着系数分离的路面进行紧急制动时，两个前轮的制动力会相差很大，为了保持汽车的行驶方向，驾驶员通过转动转向盘使前轮发生偏转，用转向轮产生的横向力平衡制动力，保持汽车行驶方向稳定性。但在两个前轮从附着系数分离的路面驶入附着系数均匀的路面的瞬间，之前处于低附着系数路面而发生抱死的前轮的制动力会因附着力的突然增大而增大，此时驾驶员无法在瞬间回正转向轮，转向轮上依然存在的横向力会使汽车向转向轮偏转的方向行驶，这中情况在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。57双通道ABS布置形式图G所示的双通道ABS多应用用于制动管路X型布置的汽车上，对两前轮独立控制，制动液通过比例阀按一定比例减压后传给后轮。对于采用这种控制方式的前轮驱动的汽车，若在紧急制动时离合器没能及时分离，前轮在制动压力较小情况下就会趋于抱死，此时后轮的制动力远未达到其附着力的水平，因而汽车制动力会显著减小；对于采用这种控制方式的后轮驱动的汽车，若将比例阀调整至正常制动情况下，前轮趋于抱死时，后轮的制动力会接近其附着力，紧急制动时会由于离合器难以及时分离，而导致后轮抱死，使得汽车丧失方向稳定性。由于双通道ABS难以在转向操纵能力、方向稳定性和制动距离几个方面兼顾，因此目前很少采用。4单通道ABS所有的单通道ABS都是在前、后布置的双管路制动系统的后制动管路，设置一个压力调节装置，对于后轮驱动汽车，只需要在传动系中安装一个速度传感器，如图58。南京师范大学学士学位毕业论文2658单通道ABS布置形式单通道ABS一般是对两后轮按低选原则进行一同控制，主要作用是提高汽车在制动时的方向稳定性。在附着系数分离路面上进行制动时，两个后轮的制动力被限制在处于低附着系数路面上的后轮的附着力水平，制动力减小。由于前制动轮缸的制动力未被控制，前轮仍然有发生制动抱死的可能，所以汽车制动的转向操作能力不能得到保障，但由于单通道ABS可以显著提高汽车制动的方向稳定性，又具有结构简单和成本低的优点，所以在轻型货车上广泛应用。此次设计按对角（X型布置的双管路制动系统采用三通道系统的ABS，通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，两前轮的制动压力进行单独控制，但对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，如图56中（E）所示。南京师范大学学士学位毕业论文27第六章制动器及驱动机构的设计计算相关技术参数某汽车的技术参数如下表编号名称符号数值1质量M01975KG2重力G19355N3质心高HG618MM4轴距L2642MM5前轴负荷M11000KG6后轴负荷M2975KG7轮胎215/55R1661盘式制动器的参数确定根据汽车轮胎型号215/55R16得轮辋直径尺寸为16英寸，转换单位后为4064MM，取轮辋直径D406MM。轮胎的工作半径为MMRR32155215203（1）选取制动盘直径制动盘的直径取轮辋直径的7079，即2842MM32074MM，为达到较大的南京师范大学学士学位毕业论文28制动力矩，取轮辋直径为310MM。（2）选取制动盘厚度H考虑到汽车高速行驶紧急制动时摩擦热较多，需要采取具有良好散热形式的制动盘，且前轮所承受的制动力比后轮大很多，故前轮都采取通风式制动盘，厚度为H30MM，后轮采用实心盘式制动盘，厚度为H10MM。（3）选取摩擦衬块的内外半径为获取最大的制动力矩，可以根据制动盘的外径来选取摩擦衬块的外径MMR1552为了使得摩擦衬块在制动是的受力和磨损较为均匀，应满足5112RR，故去摩擦衬块的外径MMR1101此时，摩擦衬块的有效半径为MMRRRRRE81333221223132平均半径为MMRRRM5132221有效半径ER与平均半径MR相差很小，故摩擦衬块与制动盘之间的压力较为均匀。（5）摩擦衬块的摩擦系数F目前我国生产的摩擦衬片材料的摩擦系数在温度低于250摄氏度的情况下能达到035040，故取摩擦系数F04。611紧急制动时制动力的计算质心到前轴的距离为MMMMLA3130402质心到后轴的距离为MMMMLB3133701查表得，沥青或混凝土（干）路面的峰值附着系数为0809，沥青（湿）路面的峰值附着系数为0507。考虑汽车制动安全性，选取路面附着系数为70由于具有ABS控制系统，能使汽车制动始处于理想状态，故去同步附着系数为南京师范大学学士学位毕业论文29700由公式GHBL0得制动器制动力分配系数为670前轴的法相反作用力为NHBLGFGZ1296901后轴的法相反作用力为NHALGFGZ638602单个前轮的附着力矩为MMNRFMR个后轮的附着力矩为MMNRFMRZ7174672122单个前轮的制动力矩为MMNMM145706711由公式111MM得单个后轮的制动力矩为MMNM7176592前轮单侧制动衬块对制动盘的压力为NFRMFE13612211后轮单侧制动衬块对制动盘的压力为NFRMFE6670422262制动轮缸直径的确定制动轮缸直径D，制动液压管路压力P和轮缸对制动块施加的推力F之间的关系为南京师范大学学士学位毕业论文30PFD4制动管路的压力不超过1012MPA，此处取P10MPA，轮缸对制动块的推力等于摩擦衬块对制动盘的压力。根据上式计算当轮缸中只有一个工作活塞时的直径，可得前轮轮缸直径为MMMPFD6341041630411后轮轮缸直径为MMMPFD2229029220422在此次设计中采用的双活塞浮钳盘式制动器，每个车轮制动器由两个并列活塞共同推动衬块挤压制动盘，故每个车轮制动器中有两个并列轮缸，由容积相等可得前轮轮缸单个活塞直径即每个分缸直径为MMD44291后轮轮缸单个活塞直径即每个分缸直径为MMD66202根据GB752487附录B中规定的标准尺寸系列选取轮缸直径得前轮轮缸直径为MMD301后轮轮缸直径为MMD22263制动主缸直径的确定额先确定制动主缸的容积V，制动主缸的容积近似等于各个轮缸的容积之和由此可得NIVV1其中，N为轮缸的个数，IV为第I个轮缸的容积，单位为3MM。轮缸容积的